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具有单独控制的里德堡原子的多体物理学
任意体物理学研究相互作用的量子粒子集合的行为。这是一个广泛的领域，几乎涵盖了所有凝聚态物理学，也包括核物理学和高能物理学。尽管近几十年来取得了巨大的成功，但许多实验观察到的现象仍然没有完全令人满意的解释。从支配粒子间相互作用的微观定律推导出宏观特性的困难在于希尔伯特空间的大小随粒子数量呈指数级增长。实际上，最著名的从头算方法可以计算少于 50 个粒子的演化。要研究涉及大量粒子的相关问题（毕竟，即使 1 毫克的普通物质也已经包含 10 18 个原子！），必须依靠近似值，而解决多体问题的技巧很大程度上依赖于掌握近似值。然而，使用近似值并不总是可行的，而且可能很难评估它们的有效性范围。理查德·费曼 1 提出了一种前进的方法，即在实验室中建立一个合成量子系统，并实现一个感兴趣的模型，该模型目前尚无其他解决方法。该模型可能是对真实材料的近似描述，也可能是纯粹抽象的模型。在这种情况下，它的实现导致构建一个人工多体系统，而该系统本身也成为研究对象。这种方法的一个吸引人的特点是能够在其他方法无法达到的范围内改变模型参数，从而提供一种更好地理解它们各自影响的方法。例如，如果人们对原子间相互作用对特定系统相的作用感兴趣，那么合成系统就会变得有趣，因为它们允许以真实材料中通常不可能的方式改变其强度。费曼引入的方法通常被称为量子模拟 2 , 3 ，但它可以更广泛地被视为用合成系统探索多体物理：就像化学家设计表现出有趣特性（如磁性、超导性）的新材料一样，物理学家组装人工系统并研究其特性，希望观察到新现象。长期以来，这个想法一直停留在理论上，因为对量子对象的实验控制还不够先进。过去 20 年来，情况发生了根本性变化，
从设计到应用：氧化铁纳米粒子用于炎症和传染病的成像和治疗
超顺磁性氧化铁纳米粒子 (SPION) 是纳米医学领域一项有希望的进展，在诊断和治疗应用中都表现出巨大的潜力。它们可以在磁场中磁化，并且不会显示永久磁化，从而可以在体内精确定位。在交变磁场下，SPION 会产生热量，可用于抗癌磁热疗或触发药物释放。在诊断方面，它们被广泛用作磁共振成像 (MRI) 的造影剂，而磁粒子成像 (MPI) 是一种使用 SPION 作为示踪剂的新兴临床前诊断技术。尽管有这些有希望的应用，但 SPION 的临床实用性受到与可扩展和可重复制造相关的挑战的阻碍。还需要集中精力提高 MPI 分辨率。此外，磁热疗在治疗炎症和感染性疾病中的应用仍然相对未被充分探索。因此，本论文的主要目标是通过可扩展的制造技术开发专门用于炎症和感染性疾病成像和治疗的 SPION。研究的第一部分涉及系统回顾，以检查有关使用 SPION 诊断和治疗慢性炎症疾病的最相关研究。MRI 被确定为 SPION 的主要应用。然而，对 MPI 和磁热疗分别用于成像和治疗炎症疾病的探索有限。在第二个项目中，使用基于风险的药品质量设计方法来优化用于磁热疗的 SPION。在第三个项目中，系统地研究了纳米粒子特性对 MPI 性能的影响。此外，这些项目建立了火焰喷雾热解作为一种可扩展和可重复的技术，用于合成具有复杂化学计量的纳米粒子用于磁热疗和 MPI。在研究的最后部分，通过可扩展技术将 SPION 整合到复合材料中，以改善炎症和传染病的治疗。SPION 与抗炎药塞来昔布一起被整合到片剂中。通过磁热诱导原位非晶化，药物溶解度显著提高。SPION 也被整合到微纤维中，磁性微纤维的散热作用与强力霉素一起用于对抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌。与单独使用药物相比，这显著减少了细菌生长。本论文介绍了 SPION 特性及其功能性能的系统探索，建立了一种可扩展的合成技术，并开发了新系统，使 SPION 更广泛地适应生物医学应用。
从设计到应用：氧化铁纳米颗粒用于炎症和传染病的成像和治疗剂
超顺磁性铁氧化铁纳米颗粒（SPION）是纳米医学中有希望的进步，在诊断和治疗应用中都表现出巨大的潜力。它们可以在磁场中磁化，并且不会显示永久性磁化，从而可以在体内精确定位。在交替的磁场下，SPION会产生热量，可用于针对癌症的磁性高温治疗或触发药物释放。诊断，它们被广泛用作磁共振成像（MRI）的对比剂，而磁性粒子成像（MPI）是一种使用SPIONS作为示踪剂的新兴临床前诊断技术。尽管有这些有希望的应用，但SPION的临床实用性受到与可扩展和可再现制造有关的挑战的阻碍。还需要集中精力来改善MPI解决方案。此外，磁性高温用于治疗炎症和感染性疾病的应用仍然相对不受影响。因此，本论文的主要目的是开发针对通过可扩展的制造技术进行成像和治疗炎症和感染性疾病的SPION。研究的第一部分涉及系统综述，以检查有关使用SPION用于诊断和治疗慢性炎症性疾病的最相关研究。MRI被确定为SPION的主要应用。然而，分别对MPI和磁性高温进行成像和治疗炎症性疾病的探索有限。spions与抗炎药Celecoxib一起掺入片剂中。在第二个项目中，使用设计方法基于风险的药物质量来优化磁性高温的SPION。在第三个项目中系统地研究了纳米颗粒性质对MPI性能的影响。此外，这些项目还将火焰喷射热解作为一种可扩展且可重复的技术，用于将纳米颗粒合成具有复杂化学计量的纳米颗粒，用于磁性高温和MPI。在研究的最后一部分中，通过可扩展技术将SPION纳入复合材料，以改善炎症和传染病的治疗。药物溶解度通过磁性高温诱导的原位非晶化显着提高。也将SPION纳入超细纤维中，并将磁性超纤维的热量耗散与强力霉素对抗耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌。与单独使用该药物相比，这导致细菌生长大幅降低。本论文引入了对SPION特性及其功能性能的系统探索，为其生产建立了可扩展的合成技术，并开发了新型系统，以更广泛地适应生物医学应用中的SPION。
与可生长材料的原型互动设备
生长周期。与从专门的植物或动物部位获得的生物塑料相比，“生长”制造涉及生物，例如细菌，真菌或植物。随着制造过程的成长开辟了独特的机会空间，例如，制造商可以利用该材料自我制作和堆肥的能力来提高可持续性[10]或利用生物组装来建立无缝的连接。然而，在增强交互性过程中，交互元素（例如电子）的整合仍然不足。我们将生物杂化设备视为交互式设备，这些设备将传统的电子组件与活生物体生产的生物基材料进行整体。我们的主要研究问题是研究如何使用细菌纤维素（BC）创建这种生物杂化器件。bc是一种基于生物的聚合物材料，是通过细菌和酵母菌（Scoby）的共生培养而生产的，这最常见于康普茶茶的家居生产中。它具有一组理想的属性，使其特别合适：使用BC制造是可访问的，并且可以产生具有高耐用性，多功能性和机械灵活性的对象。到目前为止，细菌纤维素主要用于制造被动物体[47，63，66]。只有很少的作品说明了如何将材料与电子产品混合以创建交互式伪影[10，57]。这是高度挑战性的，因为生存的Scoby所需的生长培养基是酸性和潮湿的，它倾向于腐蚀电子成分。他们因此，需要仔细调整使用BC的生物杂化设备的制造技术和材料，以满足所涉及的生物体的需求。据我们所知，迄今为止，已经提出了对BC与电子和导电材料集成的设计空间的系统探索。因此，设计师和制造商在试图将电子设备与BC集成时被迫恢复为“反复试验”。在这项工作中，我们通过将传统电子产品与生物制造结合使用生物制造来贡献一个框架，用于制造生物杂种设备。框架确定了材料生命周期的三个不同阶段，以支持设计和制造商利用BC的增长过程到嵌入电子产品。对于每个生命周期阶段，我们通过生物制作，生物组装和弹簧来构成新颖的织物技术，用于嵌入导电元件，传感器和输出成分。在生长阶段，生物组装可以实现有机材料“生长”并封装每个组件的电子设备的无缝整合。我们对材料和化学兼容性有贡献。稳定阶段实现了一系列添加剂制造技术，我们仔细地适应了bc的独特特征。，我们贡献了湿分层，分层并用导电粒子作为新颖的，特异性的制造技术以及对机械性能和电导率的见解。在无生命的阶段，可提供减法制造技术。我们提供了有关激光切割，碳化，雕刻和折叠的见解，并通过用石墨掺杂的导电糊剂填充激光雕刻痕迹来创建基于BC的PCB的新技术。制造技术已设计为众多的制造商，设计师和电子爱好者的观众可以使用。
ESA F-MESIONESA F-MESION
“分析已解决的积聚星系作为光晕调查的关键工具”（Arrakihs）任务将在每年的天空中成像50个平方度，直至前所未有的超低表面亮度（SB），同时在两个可见的频段中（HST F475X：380至630 NM和EUCLID NM和EUCLID）同时使用带（Euclid Y：920至1230 nm和Euclid J：1169至1590 nm）。这些图像将使我们能够解决λ-Cold暗物质（λCDM）宇宙学模型中的重大问题。尤其是，如果我们的宇宙中的暗物质与标准λCDM一样偏离了冷和无碰撞模型，那么预计卫星质量功能，卫星合并率以及在矮人星系周围出现的恒星流的普遍性将受到极大的抑制。由于广泛的视野调查，由于大气背景，很难从地面上实现到极低的SB限制，因此无法进行这些观察测试。相反，Arrakihs将在低地轨道上的迷你卫星上使用创新的双眼望远镜组件。这项调查将导致超低SB SB外层流图像的第一目录，以提供一个体积有限的和质量有限的星系样品，例如附近宇宙中的银河系。Arrakihs任务的定义和独特特征是，它将这些系统成像为前所未有的表面亮度，在31 mag /arcsecond 2中，在可见波长中分辨率为0.8 ARCSEC（FWHM），并在近距离Indrrrrrared中以1.25 Arcsec（FWHM）分辨率为30 mag /arcsecond 2。Arrakihs完全符合ESA的“宇宙视野”科学重点。Arrakihs任务利用具有高技术准备水平（TRL）的空间示威技术以非常低的风险姿势进入开发。首先，Arrakihs将使用双眼ISIM-170相机，该相机已经在太空中进行了验证，并成功证明了适用于SmallSats的最佳图像质量和空间分辨率。Arrakihs任务所需的检测器升级也基于适合飞行的技术。扩展的曝光将需要基于已经开发的相同技术（提高要求）的指向稳定升级，并为Euclid和Cheops任务开发了稳定升级。有效载荷和检测器冷却技术解决方案的热机械稳定性也是从已经为Euclid和Cheops任务开发的类似解决方案中借用的。ISIM-170摄像机可以安装在几个迷你 - 卫星平台上，这些平台很容易根据当前在低地轨道（LEO）中运行的成功版本进行调整。最后，由Arrakihs联盟进行的最新模拟对我们技术达到超低SB水平的能力和成功完成Arrakihs任务的科学目标所需的高空间分辨率的能力非常高度。特别是，Arrakihs将在“宇宙愿景”计划的核心的四个关键问题中提高我们的知识：“宇宙的基本物理定律是什么？”和“宇宙是如何产生的，它是什么？”此外，Arrakihs将补充新一代的巨型基础和空间观测站。JWST将在最高红移时观察星系形成和进化的最早阶段。鲁宾天文台，罗马和欧几里得将在中间和高红移时为数百万星系提供图像和光谱。arrakihs将通过开创了超低SB的附近宇宙的前所未有的系统探索，并以极佳的空间分辨率从可见的波长到红外波长来补充对遥远宇宙的这些深入的广泛观察。总而言之，ESA的F-Mession计划提供了一个独特的机会，可以在短时间内使用太空传播平台进行引人注目的科学，并具有负担得起的预算。因此，我们设计了具有三个定义特征的Arrakihs任务：1。Arrakihs使命是科学，其重点是对我们对现代宇宙中现有紧张局势的理解产生重大影响的巨大潜力。Arrakihs任务的核心 - 对未开发的超低SB宇宙的观察，只能由于由于大气而引起的基于地面的SB敏感性的局限性才能完成。由于该任务的科学目标需要在〜1 ARCSEC分辨率的非常宽的区域中实现非常低的SB，因此无需大型光圈摄像头。相反，最佳有效载荷是一台小型的多光谱摄像头，在广阔的视野中具有出色的光学质量。